สายนำสัญญาณแบบ Ladder Line

 

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

ในระบบการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุนั้นอุปกรณ์หนึ่งที่มีความสำคัญคือสายนำสัญญาณ โดยลักษณะทางกายภาพแล้วเราอาจจะเห็นว่าสายนำสัญญาณมีลักษณะเหมือนสายไฟสำหรับระบบไฟฟ้ากระแส คือมีสายไฟจำนวนสองเส้นสำหรับสัญญาณที่วิ่งไปแล้ววิ่งกลับมาให้ครบวงจร ดูภาพที่ 1

ภาพที่ 1 สายไฟในวงจรไฟฟ้ากระแส

กระแสไฟจะวิ่งวนจนครบรอบโหลด

และแหล่งจ่าย เรียกว่าครบวงจร

ทวนความคิดเกี่ยวกับสายนำสัญญาณสักนิด

ที่จริงแล้วสิ่งที่วิ่งในสายนำสัญญาณนั้นไม่เหมือนไฟฟ้ากระแส (ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าสายนำสัญญาณมาก) เพราะคลื่นความถี่สูงมีความยาวคลื่นสั้น(หรือ สั้นมาก) เมื่อเทียบกับความยาวของสายนำสัญญาณ สิ่งที่วิ่งอยู่ในสายนำสัญญาณจึงเป็น "คลื่นที่ครบลูกคลื่น" หรือ "ส่วนของคลื่นที่มีนัยยะหลายองศาของลูกคลื่น" ทำให้ "สายนำสัญญาณ" ทำงานต่างจาก "สายไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแส" มาก จนต้องมีทฤษฎีเกี่ยวกับสายนำสัญญาณ (Transmission Line Theory) เลยเชียว ดูภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การเคลื่อนที่ของคลื่น

ในสายนำสัญญาณ มีการครบรอบ

ภายในสายนำสัญญาณเองได้

หลายรอบเพราะความยาวคลื่น

สั้นกว่าสายนำสัญญาณมาก

สายนำสัญญาณแบบต่างๆ

ในฐานะที่เป็นนักวิทยุสมัครเล่นเราอาจจะคุ้นเคยกับสายนำสัญญาณที่เรียกว่าชนิดแกนร่วมหรือ Co-axial เป็นพิเศษ เพราะเหมาะสมกับการใช้งานทั่วไป มีความทนทาน เลี้ยวลัดเลาะไปตามแง่มุมต่างๆ ได้ดี มีการรบกวนหรือถูกรบกวนจากภายนอกได้ต่ำ อิมพิแดนซ์จำเพาะของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมขึ้นกับสัดส่วนของขนาดเส้นลวดตัวนำด้านในและด้านนอก ดูภาพที่ 3

ภาพที่ 3 สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม
(Co-axial Cable)

สายนำสัญญาณอีกชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือแบบสายคู่ หรือ twin lead มีลักษณะเหมือนสายไฟสองเส้นอยู่คู่กันแต่วางห่างกัน อิมพิแดนซ์จำเพาะของสายนำสัญญาณแบบสายคู่ ขึ้นกับสัดส่วนของขนาดเส้นลวดตัวนำและระยะห่างระหว่างตัวนำทั้งสอง ดูภาพที่ 4

ภาพที่ 4 สายนำสัญญาณแบบตัวนำคู่
(Twin-lead Cable)

สายนำสัญญาณแบบแกนร่วมหรือ Co-axial มีตัวนำสองตัว ดังนั้นลักษณะของคลื่นหลักที่วิ่งในสายนำสัญญาณทั้งสองคือโหมด Transverse ElectroMagnetic หรือ TEM Wave โดยในโหมดนี้ ทั้งเส้นแรงสนามไฟฟ้าและเส้นแรงแม่เหล็กจะ "ขวาง" กับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น (Transverse แปลว่า ขวาง) ดูภาพที่ 5 โดย E และ H (ที่จริงต้องเขียนมีสัญญลักษณ์ลูกศรด้านบน ตามในภาพที่ 5 เพราะทั้งคู่เป็นปริมาณแบบเวคเตอร์ซึ่งต้องระบุทั้งขนาดความเข้มและทิศทาง แต่ในการพิมพ์ทำได้ยาก จึงเขียนเป็นตัวหนา) โดย E แทนสนามไฟฟ้าและ H แทนสนามแม่เหล็ก

ภาพที่ 5 (a) คลื่นในโหมด TEM
ในสายนำสัญญาณแบบแกนคู่
(Coaxial Cable) 

ภาพที่ 5 (b) คลื่นในโหมด TEM
ในสายนำสัญญาณแบบแกนคู่
(Co-axial Cable) ภาพตัดขวางและ

มุมมองด้านข้าง

นอกจากนี้ยังมีสายนำสัญญาณแบบที่มีตัวนำเดียวอีก เช่น สายนำสัญญาณ (บางทีเรียกว่าท่อนำสัญญาณ) แบบสี่เหลี่ยม (recrangular waveguide) สายนำสัญญาณแบบท่อกลม (circular waveguide) สายนำสัญญาณแบบท่อเหล่านี้มีตัวนำเพียงตัวเดียวคือผิวของท่อ (ดูภาพที่ 6) คลื่นที่วิ่งภายในจะเป็นโหมด TEM ไม่ได้ ดังนั้นจึงกลายเป็นโหมด TE (Transverse Electric Field คือเฉพาะเส้นแรงสนามไฟฟ้าเท่านั้นที่ขวางกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น) หรือ TM (Transverse Magnetic Field คือเฉพาะเส้นแรงสนามแม่เหล็กเท่านั้นที่ขวางกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น) 

ภาพที่ 6 สายนำสัญญาณแบบ

ท่อสี่เหลี่ยมและท่อกลวง จะมี

ตัวนำเพียงตัวเดียว โหมดของคลื่น

ที่วิ่งจะเป็น TEM ไม่ได้ (จึงต้อง

เป็น TE หรือ TM)  ในภาพ เส้นสี

ฟ้าเป็นเส้นแรงสนามไฟฟ้า (E) และสี

แดงเป็นเส้นแรงสนามแม่เหล็ก (H)

สายนำสัญญาณแบบสายคู่

ข้อเสียของสายนำสัญญาณแบบนี้ก็คือ อาจจะถูกรบกวนจากสิ่งแวดล้อมได้มากโดยเฉพาะโลหะต่างๆ ที่จะเข้ามาใกล้ อย่างไรก็ตามก็ยังมีข้อดีคือ

(1) มันมีฉนวนระหว่างตัวนำทั้งสองมาก ทำให้มีการสูญเสียต่ำกว่าสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (ที่ความยาวเท่ากัน และความถี่เดียวกัน)

(2) จากโครงสร้างที่ง่าย เราสามารถสร้างเองได้

(3) เราสามารถจัดระยะระหว่างตัวนำให้เหมาะสมจนทำให้มีอิมพีแดนซ์เฉพาะตัวตามที่เราต้องการได้ไม่ยาก โดยอิมพิแดนซ์จำเพาะของมันได้ตามภาพที่ 7

ภาพที่ 7 ความต้านทานจำเพาะ

ของสายนำสัญญาณแบบคู่ขึ้นกับ

ขนาดของตัวนำ ระยะห่างของตัวนำ

และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของฉนวน

ที่แยกตัวนำทั้งสองนั้น

โดยที่

Zo คือความต้านทานจำเพาะ (โอห์ม) 
d คือระยะระหว่างตัวนำทั้งสอง (หน่วยของความยาว เหมือน r)
r เป็นรัศมีของตัวนำแต่ละตัว หน่วยของความยาว เหมือน d)
k เป็น relative permittivity ของฉนวน เช่น อากาศ = 1, PVC = 3, polypropylene = 2.2-2.36, Polystyrene = 2.4-2.7, Polyethylene = 2.25 เป็นต้น (ไม่มีหน่วย)

และคลื่นที่วิ่ง (propagate) อยู่ในสายนำสัญญาณแบบคู่นี้จะเป็นโหมด TEM มีลักษณะตามภาพที่ 8

ภาพที่ 8 สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า

ของคลื่นแบบ TEM ในสายนำสัญญาณแบบคู่
E เป็นสนามไฟฟ้า และ H เป็นสนามแม่เหล็ก

สายนำสัญญาณแบบสายคู่ใช้ทำอะไรได้บ้าง

ถ้าเราต้องเดินสายนำสัญญาณเป็นระยะทางไกลในพื้นที่เปิดโล่ง (การสูญเสียต่ำ) และต้องการสายนำสัญญาณที่มีความต้านทานจำเพาะที่ไม่ใช่ 50 หรือ 75 โอห์ม (เช่น 300 หรือ 450 โอห์ม) กับโหลดหรือแหล่งสัญญาณ (เช่น สายอากาศ) ที่เป็นแบบสมดุล (Balance) แล้วล่ะก็ สายนำสัญญาณแบบสายคู่ถือว่าเหมาะสมมาก นอกจากนั้นเรายังทำขึ้นใช้เองได้อีกด้วย ควบคุมความต้านทานจำเพาะได้อีก (ทำให้เอาไปแมทช์อิมพิแดนซ์ได้)

สายนำสัญญาณแบบ Open Line

เนื่องจากชื่อเรื่องของบทความนี้คือ สายนำสัญญาณแบบ Open Line แต่เพื่อนๆ อาจจะขุ่นใจที่อ่านมาจนถึงตรงนี้แล้ว ยังไม่เจอคำว่า Open Line สักที ก็นี่ล่ะครับ ของดีต้องเก็บไว้ทีหลัง (ที่จริงคนเล่าเพิ่งนึกออกนั่นเอง ฮา..)

สายนำสัญญาณแบบ Open Line ก็คือสายนำสัญญาณแบบสายคู่นั่นแหละครับ แต่แทนที่จะมีฉนวนกั้นสร้างระยะห่างระหว่างตัวนำทั้งสองไปตลอดความยาวของมัน เราก็ทำ "ตัวคั่น" ซึ่งเป็นฉนวน เอาไปถ่างให้เกิดระยะห่างระหว่างตัวนำแทน โดยส่วนที่ไม่ได้คั่นก็ปล่อยเป็นอากาศไว้เสียอย่างนั้น มองดูแล้วก็เหมือน "บันไดลิง" ไม่มีผิด ดังนั้นบางทีเราก็เรียกว่า Ladder Line ได้เช่นกัน ดูภาพที่ 8

ภาพที่ 9 สายนำสัญญาณแบบ 

Open Line หรือ Ladder Line

สรุป

• สายนำสัญญาณแบบสายคู่ (Twin lead) หรือ Open Line เป็นสายนำสัญญาณแบบสมดุล (Balance) ในขณะที่สายนำสัญญาณแบบแกนร่วมหรือ Co-axial เป็นสายนำสัญญาณแบบไม่สมดุล (Unbalance)
• คลื่นที่วิ่งบนสายนำสัญญาณแบบสายคู่เป็นโหมด TEM เช่นเดียวกับสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม
• ความต้านทานจำเพาะขึ้นกับขนาดของตัวนำและระยะห่างของตัวนำทั้งสอง (ยิ่งตัวนำเล็ก ห่างมาก จะมีความต้านทานจำเพาะสูงขึ้น
• ข้อดี: สายนำสัญญาณแบบสายคู่มีการสูญเสียต่ำกว่าแบบแกนร่วม (Co-axial cable), ทำเองได้
• ข้อเสีย: ถูกรบกวนจากสภาพแวดล้อมได้ง่าย (เช่น เปียก ถูกโคลนโปะทับ), การเดินสายเลาะเลี้ยวไปในซอกมุมของอาคาร โต๊ะอุปกรณ์ ทำได้ยากหรือแทบไม่ได้เลย (ควรใช้นอกอาคารเป็นหลัก)
• นอกจากสายนำสัญญาณแบบ coaxial, twin lead, ท่อนำคลื่น แล้วยังมีสายนำสัญญาณอีกหลายชนิดที่เรายังไม่ได้พูดถึง 

ในคราวต่อไปเราจะนำเรื่องดีๆ มาฝากเพื่อนๆ เช่นเคยนะครับ สำหรับวันนี้ สวัสดีครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)